KR100938435B1 - Production method of cos and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 농약, 의약 및 다양한 화학제품들의 주요 원료로 사용되고 있으며, 최근 반도체 제조공정에서 신규 에칭가스 재료로 주목받고 있는 황화카보닐(COS)의 합성방법과 합성반응장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for synthesizing and reacting carbonyl sulfide (COS), which is used as a main raw material for pesticides, medicines, and various chemical products, and has recently attracted attention as a novel etching gas material in semiconductor manufacturing processes.
보다 상세하게는 액체 황이 들어있는 반응기에 일정 깊이로 잠겨있는 딥노즐을 통해 일산화탄소(CO)를 공급 버블링 시킴으로써 기-액 접촉 방식으로 고수율 이면서 부반응물의 생성을 최소화할 수 있는 황화카보닐(COS)의 합성방법과 합성반응장치에 관한 것이다. More specifically, carbonyl sulfide which can minimize the formation of high yields and side reactions in the gas-liquid contact method by supplying and bubbling carbon monoxide (CO) through a deep nozzle submerged in a reactor containing liquid sulfur to a certain depth. COS) and a synthesis method and a synthesis reactor.
일반적으로 황화카보닐(COS)은 2개의 이중 결합을 가진 독특한 분자구조로 인해 농약 및 의약, 다양한 화학제품들의 주요 원료로 널리 사용되고 있다.In general, carbonyl sulfide (COS) is widely used as a major raw material for agrochemicals, medicines and various chemicals due to its unique molecular structure with two double bonds.
최근에는 반도체 제조 공정 중 가장 중요한 공정이라고 할 수 있는 에칭공정에서 기존의 에칭가스와 병용할 경우 에칭특성을 크게 개선시킬 수 있다는 결과가 발표되면서 차세대 반도체 공정의 에칭 가스재료로 많은 주목을 받고 있는 유용한 물질이다.In recent years, when the etching process, which is the most important process of semiconductor manufacturing, is used together with the existing etching gas, the results of the etching properties can be greatly improved. It is a substance.
이러한 황화카보닐(COS)은 보통 일산화탄소와 황을 원료로 하여 제조한다.Such carbonyl sulfide (COS) is usually produced using carbon monoxide and sulfur as raw materials.
일산화탄소와 황을 원료로 하여 황화카보닐을 합성하는 방법에 관해서는 그간 많은 방법들이 제안되어져 왔다. Many methods have been proposed for synthesizing carbonyl sulfide from carbon monoxide and sulfur as raw materials.
예를 들면, 황화아연, 황화카드뮴, 황화납 등과 같이 황을 함유한 금속화합물들을 촉매로 이용하여 일산화탄소와 황을 기상반응시켜서 높은 수율로 황화카보닐을 제조하는 방법들이 알려져 있다. For example, methods for producing carbonyl sulfide in high yields by gas phase reaction of carbon monoxide and sulfur using sulfur-containing metal compounds such as zinc sulfide, cadmium sulfide, and lead sulfide as catalysts are known.
그러나, 이러한 방법으로 황화카보닐을 합성할 경우, 비록 황화카보닐의 수율은 90% 이상으로 높일 수 있지만, 주기적으로 촉매를 재생하거나 교체해주어야 할 뿐 아니라, 촉매에 함유된 불순물에 기인하는 부생성물, 이를테면 황화수소와 같은 원치 않는 부산물들의 생성을 피할 수 없는 단점이 있다. However, when carbonyl sulfide is synthesized in this way, although the yield of carbonyl sulfide can be increased to 90% or more, byproducts due to impurities contained in the catalyst as well as periodically regenerating or replacing the catalyst are required. The disadvantage is the inevitable generation of unwanted byproducts such as hydrogen sulfide.
또 다른 방법으로는, 미국특허 US4,078,045호에 제시된 것으로, 도 1과 같이 공급되는 황을 가열하여 기체로 만들고, 상기 기체 상태의 황과 일산화탄소를 혼합하여 혼합가스를 만들고, 상기 혼합가스를 반응기에 공급하여 황화카보닐을 합성하는 방법이다.As another method, as disclosed in US Pat. No. 4,078,045, the sulfur supplied as shown in FIG. 1 is heated to make a gas, the gaseous sulfur and carbon monoxide are mixed to make a mixed gas, and the mixed gas is reactor. It is a method for synthesizing carbonyl sulfide by supplying to.
도 1에서, 1은 기상 반응기이고, 2는 일산화탄소 공급관이고, 3은 혼합믹서이고, 4는 황 공급펌프이고, 5는 황 공급관이고, 7은 황을 가열하는 가열기이고, 6, 8, 9는 연결관이고, 10은 황화카보닐(COS) 배출관이다.In Fig. 1, 1 is a gas phase reactor, 2 is a carbon monoxide supply pipe, 3 is a mixed mixer, 4 is a sulfur supply pump, 5 is a sulfur supply pipe, 7 is a heater for heating sulfur, and 6, 8, 9 are Connection tube, 10 is a carbonyl sulfide (COS) discharge tube.
이 방법에서는 촉매를 사용하지 않고도 고수율로 황화카보닐을 합성할 수 있 는 기술을 제시하고 있지만, 황을 가열하여 기체로 형성하고, 상기 황의 기체와 일산환탄소를 혼합하는 원료 혼합장치와, 상기 황과 일산화탄소가 혼합된 혼합가스를 공급받아 반응시키는 반응장치가 별개로 되어 있어 설비에 대한 비용이 비싸고, 각각의 온도를 유지하기 위해서는 높은 에너지를 필요로 하게 되어 경제적인 측면에서 바람직하지 않으며, 제조원가가 상승하는 요인이 된다.In this method, a technique for synthesizing carbonyl sulfide in high yield without using a catalyst is proposed, but a raw material mixing device for heating sulfur to form a gas and mixing the sulfur gas and carbon monoxide, The reaction device for receiving and reacting the mixed gas mixed with sulfur and carbon monoxide is separate and expensive for the equipment, and high energy is required to maintain each temperature, which is not economically desirable. Manufacturing costs will rise.
또한, 일산화탄소와 기체상태의 황을 혼합하여 혼합가스를 만들 때, 고수율의 황화카보닐을 얻기 위해서는 일산화탄소와 황의 비율을 일정하게 유지할 필요가 있으며, 황을 증발시켜 일정한 비율로 일산화탄소와 혼합하는 기술은 실질적으로 상당한 어려움을 내포하고 있다.In addition, when carbon monoxide is mixed with gaseous sulfur to make a mixed gas, in order to obtain high yield of carbonyl sulfide, it is necessary to maintain a constant ratio of carbon monoxide and sulfur, and evaporate sulfur to mix with carbon monoxide at a constant ratio. Practically poses significant difficulties.
본 발명은 일산화탄소와 황을 원료로 하여 황화카보닐을 합성함에 있어 종래 기술들이 가지는 문제점들을 해결하고 경제적이면서도 기술적으로 편리하게 황화카보닐을 합성하는 방법을 제공하고자 한다. The present invention is to solve the problems of the prior art in synthesizing carbonyl sulfide with carbon monoxide and sulfur as a raw material and to provide a method for synthesizing carbonyl sulfide economically and technically convenient.
본 발명의 첫 번째 목적은, 촉매를 사용하여 황화카보닐을 합성하는 과정에서 나타나는 촉매의 재생 및 교체로 인한 보수 유지 문제, 불순물에 의한 부산물들의 생성문제 등을 해결함으로써 경제적이면서 효율적으로 황화카보닐을 합성하는 방법을 제공하는 것이다.The first object of the present invention is to economically and efficiently carbonyl sulfide by solving the problem of maintenance and maintenance due to the regeneration and replacement of the catalyst in the process of synthesizing carbonyl sulfide using a catalyst, generation of by-products by impurities, etc. It is to provide a method for synthesizing.
본 발명의 다른 목적은, 일산화탄소와 황을 원료로 하여 황화카보닐을 합성함에 있어서 기상 반응 기술이 갖고 있는 장치의 이중화, 공정 조건의 관리 어려움과 같은 문제점들을 해결함으로써 간단한 방법으로 황화카보닐을 합성하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to synthesize carbonyl sulfide in a simple manner by solving problems such as duplication of a device and difficulty in managing process conditions in synthesizing carbonyl sulfide using carbon monoxide and sulfur as raw materials. To provide a way.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기의 목적을 달성할 수 있도록 기상의 일산화탄소와 액상의 황을 경제적이면서도 간단한 방법으로 반응시켜 고수율의 황화카보닐을 합성할 수 있는 반응장치를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a reaction apparatus capable of synthesizing high yield carbonyl sulfide by reacting gaseous carbon monoxide with liquid sulfur in an economical and simple manner so as to achieve the above object.
이러한 목적을 달성하고자 하는 본 발명의 황화카보닐의 합성방법은, 압력과 온도조절이 가능한 반응기의 내부에 저장된 액상의 황에 일산화탄소를 공급하여 기 -액 접촉방법으로 반응하도록 하는 황화카보닐의 합성방법이다.Synthesis method of carbonyl sulfide of the present invention to achieve this object, the synthesis of carbonyl sulfide to supply carbon monoxide to the liquid sulfur stored inside the reactor capable of pressure and temperature control to react by gas-liquid contact method It is a way.
이와 같이 액상의 황에 일산화탄소를 공급하여 기-액 접촉방법으로 황화카보닐의 합성함으로써 촉매를 사용하지 않아 촉매의 재생 및 교체로 인한 보수 유지 문제와 불순물에 의한 부산물들의 발생을 방지하였다.In this way, carbon monoxide was supplied to the liquid sulfur to synthesize carbonyl sulfide by the gas-liquid contact method, thereby preventing the maintenance and maintenance of the catalyst by the regeneration and replacement of the catalyst and the generation of by-products due to impurities.
상기 반응기 내부의 황은 가열수단에 의하여 온도를 350~550℃로 유지하고, 반응기 내부압력은 0~5kg/cm2로 유지하여 황에 일산화탄소를 반응시켜 황화카보닐의 합성한다.Sulfur in the reactor is maintained at a temperature of 350 ~ 550 ℃ by heating means, the reactor internal pressure is maintained at 0 ~ 5kg / cm 2 to react carbon monoxide with sulfur to synthesize carbonyl sulfide.
상기 액상의 황에 일산화탄소를 공급하되 기-액 접촉이 일어나도록 일산화탄소는 액상 황의 내부에 공급되며, 바람직하게는 상기 일산화탄소 가스는 액상 황의 계면(수면)에서 5cm 이상의 깊이에서 공급된다.The carbon monoxide is supplied to the liquid sulfur, but the carbon monoxide is supplied into the liquid sulfur so that gas-liquid contact occurs. Preferably, the carbon monoxide gas is supplied at a depth of 5 cm or more at the interface (water surface) of the liquid sulfur.
상기 일산화탄소 가스는 액상 황 내에 버블링 되도록 공급하는 것이 바람직하다.The carbon monoxide gas is preferably supplied to bubbling in liquid sulfur.
상기 본 발명의 황화카보닐의 합성방법을 이룰 수 있도록 하는 황화카보닐의 합성반응장치는, 일산화탄소(CO)와 황(S)을 반응시켜 황화카보닐(COS)을 합성하는 반응장치에 있어서, 액상의 황(S)을 저장하도록 내부공간을 가지며, 가열수단을 구비하여 온도조절이 가능하고, 압력조절이 가능한 반응기와, 상기 반응기의 내부공간에 저장된 액상의 황(S) 내에 일산화탄소(CO)를 공급하도록 설치된 일산화탄소 공급관과, 상기 반응기의 상부에 설치되어 반응하여 합성된 황화카보닐(COS)을 배출하는 황화카보닐(COS) 배출관을 포함하도록 구성되고, In the reaction apparatus for synthesizing carbonyl sulfide, the reaction apparatus for synthesizing carbonyl sulfide (COS) by reacting carbon monoxide (CO) and sulfur (S) to achieve the synthesis method of carbonyl sulfide of the present invention, It has an internal space to store the liquid sulfur (S), and equipped with a heating means capable of temperature control, pressure control reactor, and carbon monoxide (CO) in the liquid sulfur (S) stored in the inner space of the reactor It is configured to include a carbon monoxide supply pipe installed to supply a carbon dioxide sulfide (COS) discharge pipe is installed on top of the reactor and reacted to synthesize the carbonyl sulfide (COS),
상기 일산화탄소 공급관의 끝단부(액속에 잠긴 배관의 끝부분)에는 버블러 또는 스파저와 같이 기포의 분산을 도와주는 버블링 장치가 설치되거나, 또는 기포발생이 용이하도록 배관을 가공할 수 있으며, 또는 배관 그대로 사용하여도 상관이 없다. 즉, 반응기로 공급된 일산화탄소가 액체 황 내에서 배출되도록 제작되었다면 일산화탄소의 공급관에는 아무런 제약이 없다. At the end of the carbon monoxide supply pipe (the end of the pipe submerged in the liquid), a bubbling device, such as a bubbler or sparger, may be installed to help disperse bubbles, or the pipe may be processed to facilitate bubble generation, or It can be used as it is. That is, if the carbon monoxide supplied to the reactor is made to be discharged in the liquid sulfur, there is no restriction in the supply pipe of carbon monoxide.
본 발명의 방법에 따르면, 간단한 합성반응장치로 유용한 황화카보닐 가스를 경제적이면서도 효율 좋게 연속적으로 합성할 수 있는 특징이 있다.According to the method of the present invention, a carbonyl sulfide gas useful as a simple synthesis reactor can be continuously and efficiently synthesized economically and efficiently.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 황화카보닐의 합성방법은 이전의 기술들과 달리 촉매를 사용하지 않음으로 해서 촉매의 활성 저하나 촉매에 함유된 불순물에 기인하는 부산물들의 생성을 억제할 수 있고, 기상의 일산화탄소와 기상의 황을 반응시키는 기상반응에 비해 현저히 낮은 온도에서 반응을 시킴으로 고온에 따른 에너지 비용을 낮출 수 있으며, 반응생성물의 분해를 방지하여 경제적이면서도 고수율로 황화카보닐을 제조할 수 있는 특징이 있다. As described above, the method of synthesizing carbonyl sulfide according to the present invention can suppress production of by-products due to deterioration of catalyst activity or impurities contained in the catalyst by not using a catalyst, unlike the prior arts. Compared to the gas phase reaction in which gaseous carbon monoxide reacts with sulfur in the gas phase, the reaction can be carried out at a significantly lower temperature, thereby lowering the energy cost due to the high temperature, and preventing the decomposition of the reaction product to produce carbonyl sulfide with high yield at an economical rate. There is a characteristic.
또한 이전의 기술에서는 일산화탄소와 황의 혼합가스를 만들기 위하여 반응기와 함께 두 원료를 혼합하는 혼합장치가 필요하지만, 본 발명에서는 별도의 혼합장치를 필요로 하지 않고, 반응기 내에 일산화탄소를 공급하는 것만으로 반응이 이루어지므로, 두 원료의 혼합 비율을 맞추기 위한 조작이 필요 없어져 공정이 간단 하면서도 연속 운전으로 대량 생산을 할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the prior art requires a mixing device for mixing the two raw materials with the reactor to make a mixed gas of carbon monoxide and sulfur, the present invention does not require a separate mixing device, the reaction is only by supplying carbon monoxide in the reactor Because it is made, there is no need to operate to match the mixing ratio of the two raw materials, there is an advantage that the process is simple, but can be mass-produced in continuous operation.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
본 발명의 황화카보닐의 합성방법은, 액상(액체) 황이 들어 있는 반응기에 황 액속에 잠기도록 설치된 일산화탄소 공급관을 통해 일산화탄소를 공급하여 일산화탄소를 버블링 시켜 황 액속으로 공급된 일산화탄소 가스와 액상의 황을 기-액 접촉시켜서 별도의 혼합장치나 촉매 없이도 황화카보닐을 합성할 수 있는 새로운 황화카보닐의 합성방법을 제공하는 것이다.In the method for synthesizing carbonyl sulfide of the present invention, the carbon monoxide gas and the liquid sulfur are supplied to the sulfur liquid by bubbling carbon monoxide by supplying carbon monoxide through a carbon monoxide supply pipe installed to immerse in the sulfur liquid in a reactor containing liquid (liquid) sulfur. It is to provide a new method of synthesizing carbonyl sulfide that can be synthesized carbon-sulfur without gas-liquid contact without a separate mixing device or catalyst.
본 발명의 출원인은, 활용도가 넓어진 황화카보닐을 보다 용이하고 경제적으로 제조할 수 있는 기술을 개발하기 위하여 연구를 실시한 결과, 기-액 접촉반응이 기존의 기상반응법이나 촉매를 이용한 기상접촉법에 비해서 불순물의 생성을 획기적으로 줄이면서도 고수율로 간편하게 황화카보닐을 합성할 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Applicants of the present invention, in order to develop a technology that can be more easily and economically produced carbonyl sulfide with a wide range of applications, as a result, gas-liquid contact reaction to the conventional gas phase reaction method or gas phase contact method using a catalyst Compared to the present invention, the present inventors have found that carbonyl sulfide can be easily synthesized in high yield while significantly reducing the production of impurities.
이러한 본 발명의 황화카보닐의 합성방법은, Such a method for synthesizing carbonyl sulfide of the present invention,
온도와 압력조절이 가능한 반응기(21) 내에 액상의 황을 황 공급관(27)을 통하여 황을 공급하여 일정량을 채운다.The sulfur in the liquid phase is supplied through the
상기 액상의 황이 저장된 반응기(21) 내에 일산화탄소(CO)를 공급관(23)을 통하여 공급한다.Carbon monoxide (CO) is supplied through the
상기 공급관(23)을 통하여 공급되는 일산화탄소는 기-액 접촉반응이 일어날 수 있도록 액상의 황 내에 공급한다.The carbon monoxide supplied through the
상기 공급관(23)의 끝단부인 노즐은 반응기(21) 내에 저장된 액상의 황 계면(수면)에서 최소 5㎝ 이상의 깊이로 잠기도록 한다.The nozzle which is the end of the
이는 공급관(23)으로 공급되는 일산화탄소가 액상의 황 계면(수면)에서 최소 5㎝ 이상의 깊이에서 공급되어 기-액 접촉반응이 일어나도록 하기 위함이다. This is for the carbon monoxide supplied to the
본 발명에 따르는 일산화탄소와 액상 황을 원료로 사용하여 황화카보닐을 합성방법에 있어서 반응조건은 아래와 같다.In the method for synthesizing carbonyl sulfide using carbon monoxide and liquid sulfur according to the present invention, the reaction conditions are as follows.
일산화탄소와 액상 황의 기-액 접촉반응시 반응온도는 350~550℃이다. 이를 위하여 반응기(21) 내의 액상의 황을 가열수단(22)으로 350~550℃로 유지시킨다.In the gas-liquid contact reaction of carbon monoxide and liquid sulfur, the reaction temperature is 350 to 550 캜. To this end, the liquid sulfur in the
조금 더 상세하게는, 상기 기-액 접촉반응 반응온도는 400~500℃가 좋으며, 가장 좋게는 430~480℃이다.In more detail, the gas-liquid contact reaction temperature is preferably 400 to 500 ° C, most preferably 430 to 480 ° C.
일산화탄소와 액상 황의 기-액 접촉반응시 반응압력은 0(대기압)~5kg/cm2-G이다. In the gas-liquid contact reaction of carbon monoxide and liquid sulfur, the reaction pressure is 0 (atmospheric pressure) to 5 kg / cm 2 -G.
조금 더 상세하게는, 반응압력은 0.5~3kg/cm2-G가 좋으며, 보다 좋게는 1~2.5kg/cm2-G이다.In more detail, the reaction pressure is preferably 0.5 to 3 kg / cm 2 -G, more preferably 1 to 2.5 kg / cm 2 -G.
상기 반응온도와 반응압력 조건상태에서 일산화탄소를 액상의 황에 잠겨있는 공급관의 노즐을 통하여 버블링시켜 공급한다.The carbon monoxide is supplied by bubbling through the nozzle of the supply pipe immersed in the liquid sulfur under the reaction temperature and the reaction pressure conditions.
이는 촉매 또는 별도의 고온 기상 반응장치 없이도 높은 수율로 황화카보닐을 연속으로 제조할 수 있게 한다.This makes it possible to continuously produce carbonyl sulfide in high yield without a catalyst or a separate high temperature gas phase reactor.
반응기는 기-액 접촉효율을 높이기 위하여 수평형 보다는 수직형이나 칼럼형 반응기가 상대적으로 유리하지만, 기-액 접촉만 충분히 이루어진다면 어떤 형태의 반응기라도 사용 가능하다.Reactors are more advantageous for vertical or column type reactors than horizontal type to increase gas-liquid contact efficiency, but any type of reactor can be used as long as gas-liquid contact is sufficient.
본 발명의 황화카보닐의 합성반응장치는 도 2와 같이 수직 실린더 형태로 형성된 내부공간(21a)을 가지는 반응기(21)와, 상기 반응기(21)를 가열하는 가열수단(22)과, 상기 반응기(21) 내에 일산화탄소를 공급하는 일산화탄소 공급관(23)과, 상기 반응기(21) 내에 황을 공급하는 황 공급관(27)과, 상기 반응기(21) 내에서 반응하여 합성된 황화카보닐을 배출하는 배출관(24)으로 구성된다.The reaction apparatus for synthesizing carbonyl sulfide of the present invention includes a
상기 반응기(21)에는 액상(액체) 황의 수위를 측정할 수 있는 수위계(미도시)와, 내부 온도를 측정하는 온도센서(25)와, 내부압력을 측정하는 압력센서(26) 가 설치되어 있다.The
상기 일산화탄소 공급관(23)과 황 공급관(27)과 황화카보닐을 배출하는 배출관(24)에는 각각 공급과 배출을 제어하는 밸브가 설치된다.The carbon
상기 가열수단(22)은 보통 전기히터를 사용하며, 반응온도를 조절한다.The heating means 22 usually uses an electric heater, and controls the reaction temperature.
상기 반응기(21) 내부의 반응 압력은 반응기(21)에서 유출되는 가스 유량을 밸브로 조절하여 일정하게 유지시킨다. 즉, 황화카보닐을 배출하는 배출관(24)에 설치되어 있는 밸브를 이용하여 조절한다.The reaction pressure inside the
상기 반응기(21) 내에 공급되는 황은 분말형, 과립형, 펠렛형과 같은 고체 상태이거나 액상 등 어떤 형태의 것이라도 상관이 없으나, 반응에서 부반응물의 생성을 최소화하기 위해서는 99% 이상의 순도를 가진 제품을 사용하는 것이 좋다. Sulfur supplied into the
고체 상태의 황을 원료로 사용할 경우에는 반응기에 직접 투입한 후 온도를 높여 용융시켜 액체 상태로 만든 후 일산화탄소를 공급하여 반응을 실시할 수도 있지만, 별도의 용기에서 미리 액체 상태로 만든 후 연속식 또는 회분식으로 반응기(21)에 보충하는 것이 바람직하다. In the case of using solid sulfur as a raw material, it may be directly added to the reactor, then heated to melt to a liquid state, and then reacted by supplying carbon monoxide. It is preferable to supplement the
별도의 용기에서 액체 상태로 황을 만든 후 반응기(21)에 공급하는 경우에는 별도의 용기에서 고체 상태의 황을 용융시킨 후 질소와 같은 불활성 가스를 이용하여 버블링 시킴으로써 수분과 같은 불순물들을 미리 제거할 수 있으며, 황을 보충할 경우에 반응기를 외부로 노출시키지 않고 황을 보충할 수 있게 함으로써 불순물의 유입을 최소화하여 반응에서 불순물의 생성을 최소화할 수 있는 장점이 있다.In the case of making sulfur in a liquid state in a separate container and supplying it to the
액체 상태의 황을 반응기로 공급할 때에는 펌프를 사용하여 정량 공급하거 나, 불활성 가스로 가압한 후, 압력차를 이용하여 반응기로 공급할 수 있다. When supplying sulfur in a liquid state to the reactor, it can be fed to the reactor using a pump, or pressurized with an inert gas and then to the reactor using a pressure difference.
반응기 내의 액상 황 수위는 일산화탄소 공급관에 형성된 끝단부의 노즐은 최소 5cm 이상의 깊이로 잠기도록 유지하는 것이 좋다. 이는 일산화탄소 가스가 액상 황의 계면(수면)에서 최소 5cm 이상의 깊이에서 배출되도록 하기 위한 것이다.The liquid sulfur level in the reactor is preferably maintained so that the nozzle of the end formed in the carbon monoxide feed pipe is locked to a depth of at least 5 cm. This is to allow the carbon monoxide gas to be discharged at a depth of at least 5 cm at the interface (water surface) of the liquid sulfur.
그 깊이는 반응기 형태나 배출되는 일산화탄소 가스의 유량 등에 따라 기-액 접촉시간을 고려하여 결정한다.The depth is determined in consideration of the gas-liquid contact time depending on the type of reactor or the flow rate of carbon monoxide gas discharged.
일산화탄소 공급관의 잠기는 깊이가 너무 낮으면 일산화탄소의 가스와 액체9액상) 황 간에 충분한 접촉이 일어나지 않게 되어 미반응 일산화탄소의 양이 증가하게 되고, 반대로 액속에 너무 깊이 잠기면 체류시간의 증가로 인해 반응물이 분해되어 수율이 낮아질 수 있으므로 좋지 않다.If the submerged depth of the carbon monoxide supply line is too low, sufficient contact between the gas of carbon monoxide and sulfur of the liquid 9) will not occur, and the amount of unreacted carbon monoxide will increase. This is not good because the yield can be lowered.
보통 일산화탄소 공급관에 형성된 끝단부의 노즐은 액상 황의 계면(수면)에서 5 ~ 100cm의 깊이에 위치하도록 한다.Normally, the end nozzle formed in the carbon monoxide supply pipe is positioned at a depth of 5 to 100 cm from the interface (water surface) of the liquid sulfur.
반응기의 온도는 반응이 일어나는 반응영역, 즉 액상 황부의 온도를 의미하며 350~550℃, 좋게는 400~500℃, 그보다 더 좋게는 430~480℃로 유지하는 것이 좋다. The temperature of the reactor means the reaction zone where the reaction takes place, that is, the temperature of the liquid sulfur part, and is preferably maintained at 350 to 550 ° C, preferably 400 to 500 ° C, and more preferably 430 to 480 ° C.
반응온도가 너무 낮으면 반응활성이 저하되어 반응수율이 떨어지고, 너무 높으면 부산물의 생성량이 증가할 뿐만 아니라 황의 증발량이 많아져서 황의 손실은 물론, 증발된 황이 배관에서 응축하여 배관을 폐쇄시키는 등 원치 않는 결과를 초래한다. If the reaction temperature is too low, the reaction activity is lowered and the reaction yield is lowered. If the reaction temperature is too high, not only the amount of by-products is increased but also the amount of sulfur evaporation increases, so that the loss of sulfur and the evaporated sulfur condenses in the pipe and the pipe is closed. Results.
반응압력은 0(대기압 상태)~5kg/cm2-G의 범위로 유지시키되, 좋게는 0.5~4kg/cm2-G, 보다 좋게는 1~3kg/cm2-G으로 유지하는 것이 반응에 가장 유리하다. The reaction pressure is 0 (atmospheric pressure) - sikidoe maintained in the range of 5kg / cm 2 -G, preferably from the reaction to be better than the 0.5 ~ 4kg / cm 2 -G, is maintained at 1 ~ 3kg / cm 2 -G It is advantageous.
반응 압력이 낮으면 동일 온도에서 상대적으로 황의 증발량이 증가하게 되어 손실량이 많아지고 기-액 접촉효율이 저하되어 수율이 저하된다. When the reaction pressure is low, the evaporation amount of sulfur is relatively increased at the same temperature, so that the amount of loss is increased, the gas-liquid contact efficiency is lowered, and the yield is lowered.
반응 압력을 너무 높이면 원료의 공급압력 역시 높여야 하므로 위험성이 증가하고 반응기 내에서 가스 체류시간의 증가로 생성된 황화카보닐이 분해하거나 이황화탄소(CS2)와 같은 부산물이 생성될 수 있다.If the reaction pressure is too high, the feed pressure of the raw material must also be increased, which increases the risk and may result in decomposition of carbonyl sulfide or increased by-products such as carbon disulfide (CS 2 ).
일산화탄소는 유량계를 통하여 일정한 유량이 연속적으로 반응기에 도입되고, 끝단부가 액상의 황에 잠겨 있는 공급관을 통해 액상 속으로 버블링 된다. Carbon monoxide is continuously introduced into the reactor through a flow meter, and the end is bubbled into the liquid phase through a feed pipe submerged in liquid sulfur.
기포와 액체 간의 접촉 효율을 높이기 위하여 교반기를 사용하여도 좋으나, 별도의 교반장치 없이도 고수율을 얻을 수 있으므로 경제적 측면 및 유지관리 측면에서 교반기가 없는 편이 유리하다. Agitator may be used to increase the contact efficiency between bubbles and liquids, but it is advantageous to have no agitator in terms of economics and maintenance because high yield can be obtained without a separate agitator.
한편, 일산화탄소 가스가 액속(액상의 황)으로 방출되는 노즐부분에 버블링 장치(23a)를 설치할 수 있다.On the other hand, the bubbling
상기 버블링장치(23a)는 공급되는 일산화탄소의 기포를 작게 분산시킴으로써 기-액 접촉 효과를 향상시키고 반응 효율을 높일 수 있다. The bubbling
상기 버블링 장치(23a)는 액체 내에서 작은 기포를 발생시켜 기-액 접촉 효과를 높여주는 버블러 또는 스파저를 말하는 것으로서, 반응온도 및 압력 조건에 견딜 수 있는 것이면 어떤 형태의 것이라도 사용할 수 있다.The bubbling
그러나, 별도의 버블링 장치(23a)를 설치하지 않더라도 본 발명의 방법에 따르면 고수율로 황화카보닐을 합성할 수 있다.However, according to the method of the present invention, carbonyl sulfide can be synthesized in high yield even if no separate bubbling
반응기의 재질은 온도와 압력에 견딜 수 있는 재질이면 어떠한 재질이라도 상관은 없으나 구리 계열 금속은 황에 취약하므로 사용해서는 안 된다. The material of the reactor may be any material as long as it can withstand temperature and pressure, but copper-based metals are susceptible to sulfur and should not be used.
탄소강 또는 철제 재질은 쉽게 산화되어 녹과 같은 불순물을 생성하기 쉬우므로 가급적 스테인레스 계열이나 니켈 또는 니켈합금 계열의 금속 재료를 사용하여 제작하는 것이 바람직하다.Since carbon steel or iron material is easily oxidized to generate impurities such as rust, it is preferable to use a stainless steel or nickel or nickel alloy metal material.
본 발명에 따른 황화카보닐의 제조과정은, The production process of carbonyl sulfide according to the present invention,
고체 상태의 황을 녹이고 황의 불순물을 제거하기 위한 액상의 황을 제조하는 과정과;Preparing liquid sulfur to melt sulfur in a solid state and remove impurities of sulfur;
불순물을 제거한 상기 황을 반응기로 이송한 후 반응온도를 유지시키는 반응준비 과정과;A reaction preparation process of maintaining the reaction temperature after transferring the sulfur from which impurities are removed to the reactor;
일산화탄소를 버블링시켜 반응을 실시하는 반응과정으로 이루어진다.It consists of a reaction process to carry out the reaction by bubbling carbon monoxide.
본 발명에서 사용하는 황은 고체 상태의 제품으로 황의 투입을 용이하게 하고 분말 비산과 같은 문제점을 예방하기 위하여 분말 형태가 아닌 그래뉼 또는 펠렛 형태의 고체 황을 사용하였다. Sulfur used in the present invention used solid sulfur in the form of granules or pellets, not in powder form, in order to facilitate the introduction of sulfur as a solid product and to prevent problems such as powder scattering.
고체 상태의 황을 미리 준비한 용기에 일정량 투입하고 밀폐한 후, 불활성 가스 공급관의 노즐을 통해 불활성 가스를 공급하여 버블링 시키면서 용기 외부에 설치된 전기히터로 가열하여 고체 황을 용융시킨다. After a certain amount of sulfur in a solid state is put into a container prepared in advance and sealed, the solid sulfur is melted by heating with an electric heater installed outside the container while supplying and bubbling an inert gas through a nozzle of an inert gas supply pipe.
투입된 황이 완전히 액체 상태로 되면 황의 온도를 125~140℃로 유지시키면서 1시간 이상 불활성 가스로 버블링 시켜 수분을 비롯한 불순물들을 제거한다.When the added sulfur becomes completely liquid, the sulfur is bubbled with an inert gas for at least 1 hour while maintaining the temperature at 125 to 140 ° C. to remove impurities such as moisture.
이렇게 제조한 액상 황을 가압하여 반응기에 이송한 후, 일산화탄소 공급관의 노즐로 일산화탄소를 공급하여 액상의 황에 버블링 시켜 반응을 실시한다. After the liquid sulfur thus produced is pressurized and transferred to the reactor, carbon monoxide is supplied to the nozzle of the carbon monoxide supply pipe, and the reaction is performed by bubbling the liquid sulfur.
액상의 황은 연속식 또는 회분식으로 반응기에 보충하도록 한다.Liquid sulfur is added to the reactor either continuously or batchwise.
다음에 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다.Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[실시예 1] Example 1
반응기(21)는 내경이 150mm, 높이가 300mm인 스테인레스제 수직 원통형 반응기로서 내부 온도를 측정하기 위한 온도센서(25)와 일산화탄소가 공급되는 끝단부에 노즐이 형성된 공급관(23)이 설치되어 있다. The
반응기(21) 외부에는 온도유지를 위해 가열수단(22)인 전기히터를 설치하여 반응온도를 조절할 수 있게 하였다. In order to maintain the temperature outside the
일산화탄소는 유량계를 거쳐 일정량이 반응기(21)로 공급되도록 하였으며, 일산화탄소의 공급관(23)의 깊이를 다르게 하여 각각의 조건에서 실험하였다. Carbon monoxide was supplied to the
반응기(21) 내의 반응온도는 450℃, 반응압력은 2kg/cm2-G으로 유지하였다. The reaction temperature in the
반응기(21) 상부 배관인 배출관(24)을 통해 유출되는 반응 생성 가스를 주기적으로 포집하여 가스크로마토그래피로 분석하였으며 그 결과는 표1에 나타내었다. The reaction product gas flowing out through the
[표1] 노즐 깊이에 따른 반응성Table 1 Reactivity with Nozzle Depth
[실시예 2] Example 2
실시예 1의 반응기를 사용하여 대기압 상태에서 반응 온도(액상의 황 온도)를 각각 350℃, 400℃, 450℃, 500℃로 변경시키면서 실시예1과 같은 조건으로 실험하였다.The reactor of Example 1 was used under the same conditions as in Example 1 while the reaction temperature (liquid sulfur temperature) was changed to 350 ° C, 400 ° C, 450 ° C, and 500 ° C at atmospheric pressure, respectively.
[표2] 반응 온도에 따른 반응성[Table 2] Reactivity according to reaction temperature
[실시예 3] Example 3
실시예1의 반응기를 사용하여 반응온도를 450℃로 일정하게 유지시킨 상태에서 반응압력을 각각 달리하여 실험하였다.Using the reactor of Example 1, the reaction pressure was varied while the reaction temperature was maintained at 450 ° C., respectively.
[표3] 반응 압력에 따른 반응성[Table 3] Reactivity according to reaction pressure
도 1은 종래의 황화카보닐의 합성반응장치에 대한 개략도.1 is a schematic diagram of a conventional reactor for the synthesis of carbonyl sulfide.
도 2는 본 발명의 실시예를 나타낸 황화카보닐의 합성반응장치 개략단면도.Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for synthesizing carbonyl sulfide showing an embodiment of the present invention.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]
21 : 반응기 22 : 가열수단21
23, 27 : 공급관 24 : 배출관23, 27: supply pipe 24: discharge pipe
25 : 온도센서 26 : 압력센서25: temperature sensor 26: pressure sensor
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